黏性流体模型在水力机械优化设计中的应用

即使是三维流动，理想流体方法也只能计算最优工况下的流动，对非最优工况下的分离流动，必须用黏性流体模型。常用的有下述方法。

1.Sheoran等提出一种类似于正交面的方法

正交面的方法采用两组完全正交曲面，导出曲面上的涡流函数方程，因为它们不是流面，有流量通过，在求解一组曲面时，需要知道另一组曲面的流速分布，反复迭代，直至收敛。这种方法适用于求解简单形状流道的层流运动。

2.边界层方法

将叶轮流道分成压力、吸力、轮缘和轮毂4个区，建立相应的边界层方程，以理想流体计算的结果为边界条件，求解各个边界层内的流动，再用边界层的流动计算结果为边界条件，计算理想流动，反复循环，直至收敛。

3.抛物法和偏抛物法

恒定流中多数流动为椭圆形，其控制方程是椭圆形方程，流场中任一点的扰动对整个流场都有影响。其流动特点是无回流，下游压力对上游无影响。沿主流方向的动量、质量等扩散与对流相比可以忽略，计算从上游起始断面向下游逐步迭代，直至算出的压力误差满足精度为止。

4.全三维湍流模型

水力机械中的流动一般雷诺数很高，流动处于湍流状态，全流道三维湍流计算的数学模型，消除了传统设计理论中的许多假设，与工程实际情况十分接近。湍流的运动特性可用连续性方程和Navier-Stokes方程来描述，通过连续方程和Navier-Stokes方程的联立求解，可得计算域内各处的流动速度和压力信息。(www.xing528.com)

近年来，计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）得到了迅速的发展，并越来越多地应用在水力机械性能预测及优化设计上，取得了不少的成果。对于贯流泵及其过水流道的设计开发，亦可首先采用CFD技术进行数值模拟，在众多方案中遴选出较优方案，然后再进行模型试验的研究，这样就能为最终决策提供更加准确、科学的依据。同时，对CFD技术成果与模型试验结果进行相互印证和比较，可以大大提高水力机械研发能力，也使设计水平跨入一个新的层次。

通过对贯流泵过流部件进行内外特性的流动分析并提供叶轮的综合特性曲线预测，可以优化流道尺寸，发挥出良好的社会效益。

典型应用方式有：

（1）对现有的设计过流部件进行流动分析计算，找出各部位损失，提供计算的预测特性曲线，为工程设计提供改进方案。

（2）优化设计过流部件，通过充分的流场仿真实验方案比较，从多个方案中筛选出最优的符合要求的叶轮等过流部件，再进行试验验证。

（3）对特定的泵站等进行针对性的过流部件的优化设计，提出更有特色的过流部件形状。

（4）特殊要求的流动现象（如空蚀、流固耦合、不稳定流、多项流等）分析和产品优化。

目前国际上，应用较广泛的CFD商业软件有CFX、FIDAP、FLUENT、PHOENICS和STAR-CD等。商业软件有较强的通用性，可以帮助工程技术人员从繁琐重复的编程过程解脱出来，而着重对目标对象的流动特性等物理本质进行研究探讨。但商业软件也存在局限性，对科学研究来说是一把双刃剑，需要应用得当；否则将不利于科学技术进一步发展。